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Dokumentenidentifikation DE69404443T2 22.01.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0680520
Titel VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES DISPERSIONSSTABILISIERTEN METALLSCHAUMES
Anmelder Alcan International Ltd., Montreal, Quebec, CA
Erfinder THOMAS, Martin, Kingston, Ontario K7L 4M6, CA;
KENNY, Doug, Inverary, Ontario K0H 1X0, CA;
SANG, Harry, Kingston, Ontario K7L 4V1, CA
Vertreter HOFFMANN · EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 69404443
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 21.01.1994
EP-Aktenzeichen 949049241
WO-Anmeldetag 21.01.1994
PCT-Aktenzeichen CA9400027
WO-Veröffentlichungsnummer 9417218
WO-Veröffentlichungsdatum 04.08.1994
EP-Offenlegungsdatum 08.11.1995
EP date of grant 23.07.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.1998
IPC-Hauptklasse C22C 1/08
IPC-Nebenklasse B22D 11/00   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von teilchenstabilisierten Metallschäumen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen teilchenstabilisierten Metallschaum mit einer einzigartigen zellulären Struktur, den man über eine Vorstufe herstellt, die dann "aufgeschäumt" werden kann.

Erfindungsgrundlage

Geschäumte Metalle haben ein hohes Verhältnis Festigkeit-zu- Gewicht und sind als lasttragende Materialien und als thermische Isolatoren extrem nützlich. Metallische Schäume sind durch eine hohe Schlagenergie-Absorptionsfähigkeit, eine geringe thermische Leitfähigkeit, eine gute elektrische Leitfähigkeit und die Eigenschaft einer hohen akustischen Absorption gekennzeichnet.

Geschäumte Metalle sind beispielsweise in den US-Patenten Nr. 2 895 819, 3 300 296 und 3 297 431 zuvor beschrieben worden. Im allgemeinen stellt man solche Schäume durch Zugabe einer gasentwickelnden Verbindung zu einem geschmolzenen Metall her. Das Gas entwickelt sich unter Expansion und Schäumen des geschmolzenen Metalls. Nach dem Schäumen kühlt man den resultierenden Körper ab, um die geschäumte Masse zu verfestigen, um so einen Feststoff aus geschäumtem Metall zu bilden. Die gasbildende Verbindung kann ein Metallhydrid, wie Titanhydrid, Zirconiumhydrid, Lithiumhydrid etc., wie im US- Patent Nr. 2 983 597 beschrieben, sein.

Eine neue Entwicklung bei der Herstellung von leichtgewichtigen geschäumten Metallen wird von Jin im US- Patent Nr. 4 973 358, das am 27. November 1990 erteilt wurde, beschrieben. In diesem Patent wurde ein Vorstufen-Composit aus einer Metallmatrix und feinverteilten festen Stabilisatorteilchen über die Lquidustemperatur der Metallmatrix erhitzt, und man ließ Gasblasen in den geschmolzenen Metall-Composit unterhalb der Oberfläche ausströmen, um auf diese Weise an der Oberfläche des geschmolzenen Metall-Composits eine geschäumte Schmelze zu bilden. Beim Abkühlen dieses Schaums bildete sich ein festes geschäumtes Metall mit einer Vielzahl von geschlossenen Zellen und in der Metallmatrix dispergierten Stabilisatorteilchen.

Das im Verfahren gemäß US-Patent 4 973 358 verwendete Metallmatrix-Vorstufen-Composit war derart beschaffen, daß die darin enthaltenen Stabilisatorteilchen eine ziemlich gleichförmige Größe aufwiesen und vom Matrixmaterial vollständig benetzt wurden. Ein Produkt dieser Art, das verwendet wurde, war das von der Alcan Aluminum Corporation unter dem Warenzeichen DURALCAN verkaufte Aluminiummatrix- Composit. Solche Composits sind jedoch teuer in ihrer Herstellung und führen zu einem relativ teuren Schaumprodukt.

WO 91/01387 offenbart ebenfalls ein geschäumtes Metall und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Dort gibt es jedoch keine an die Teilchengrößenverteilung gestellten Anforderungen, noch erscheint das gebildete Produkt eine besondere Größenverteilung über die Zellwände hinweg zu erfordern.

Aus solchen Vorstufenmaterialien erzeugte Metallschäume enthalten als stabilisierende Teilchen Monolith- oder Blockteilchen, typischerweise SiC oder Aluminiumoxid. Diese Vorstufen-Composits stellt man ebenfalls unter verringerten Drücken oder sogar unter Vakuumbedingungen her. Man hat gefunden, daß ein aus einem solchen Material erzeugter Schaum schwierig zu schneiden ist, mit Ausnahme des Materials mit der geringsten Dichte.

Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, Metallschäume mit den gewünschten Eigenschaften unter Verwendung eines relativ günstigen Verfahrens zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Alternative für Vorstufen-Composits mit Standardmetallmatrix, die zur Herstellung von Metallschäumen verwendet werden, zur Verfügung zu stellen.

Noch eine weitere Aufgabe ist es, eine relativ günstige Vorstufe zur Herstellung von geschäumten Metallen zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe ist es, einen stabilisierten Metallschaum zur Verfügung zu stellen, der leichter mit der Maschine zu bearbeiten ist als vormalige stabilisierte Schaummaterialien.

Noch eine weitere Aufgabe ist es, einen stabilisierten Metallschaum mit modifizierten und einstellbaren Brucheigenschaften (crush properties) zur Verfügung zu stellen.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines Metallschaums zur Verfügung gestellt. Das Verfahren ist in Anspruch 11 angegeben. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft ebenfalls ein stabilisiertes Metallschaumprodukt, wie es in Anspruch 1 angegeben wird. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Wände des Schaums können vorzugsweise Poren enthalten. Man kann die Zahl solcher Poren variieren, wie in der vorstehenden Ausführungsform, indem man die Mischbedingungen bei der Herstellung des Vorstufen-Composits verändert. Man kann auch den Gasdruck während der Herstellung des Vorstufen- Composits durch diese Ausführungsform variieren, beispielsweise indem man das Verfahren in einem geschlossenen Gefäß unter verringertem Druck betreibt. Man kann Gasdrücke von weniger als 10 Torr einsetzen, wobei noch Poren in der Vorstufe und dem endgültigen Schaumprodukt erzeugt werden, und noch sicherstellen, daß feine Teilchen noch in Nachbarschaft zu den Oberfläche der geschlossenen Zellwände vorzugsweise angeordnet sind. Nichtsdestotrotz ist es am bequemsten, in dieser Ausführungsform bei Atmosphärendruck zu arbeiten.

Die Mischungen der Stabilisatorteilchen haben eine Oberflächenkennzahl (spezifische Oberfläche), gemessen nach der BET-Stickstoffadsorption, von mindestens 2,0 m²/g, und stärker bevorzugt von mindestens 10 m²/g. Mischungen von Teilchen mit Oberflächenkennzahlen in diesem Bereich können aus einem breiten Bereich an Teilchengrößen bestehen, die eine wesentliche Anzahl von feinen Teilchen beinhalten, und unterscheiden sich daher von der engen Verteilung von Blockoder Monolith-Teilchen gemäß dem Stand der Technik. Es ist bevorzugt, daß Mischungen aus Stabilisatorteilchen Aggregate oder Agglomerate aus feineren Teilchen enthalten, und es ist am stärksten bevorzugt, daß solche Mischungen nahezu vollständig aus solchen Agglomeraten bestehen. Die Aggregate sind vorzugsweise ausreichend schwach, damit die Rührwirkung des bei der Herstellung des Vorstufen-Composits verwendeten Mischers ausreicht, um eine wesentliche Zahl dieser Agglomerate aufzubrechen und feine Teilchen im endgültigen Schaumprodukt herzustellen. Diese feinen Teilchen können eine breite Größenverteilung haben, enthalten aber oft nennenswerte Mengen eines Materials mit Teilchengrößen von weniger als 1 µm. Der Scherbetrag, den man zuführen muß, ähnelt typischerweise jenem, den man aufwendet, um per Ultraschall Materialien für die Teilchengrößenverteilung durch Sedigraph, etc. zu dispergieren. Das Aufbrechen kann durch das Benetzen oder das Teilbenetzen der Teilchen durch die Matrixlegierung unterstützt werden.

Ein geeignetes Stabilisatorteilchen kann Aluminiumoxid mit hoher Oberfläche (calciniert oder aktiviert), MgO, Feldspat, calcinierter Bauxit und viele andere sein. Ein besonders geeignetes Stabilisatorteilchen ist MgO in einer Form, die eine wesentliche Oberflächenkennzahl, beispielsweise mindestens 25 m²/g aufweist. Vergleicht man, würde ein Block- Aluminiumoxid (blocky alumina), wie es in einem Verfahren des Stands der Technik zur Herstellung eines Schaums verwendet wird, eine Oberflächenkennzahl von etwa 0,5 m²/g haben.

Wegen der hohen Oberfläche der sich für die vorliegende Erfindung am besten eignenden Stabilisatorteilchen, ist es häufig erforderlich&sub1; vor dem Beimengen zum Vorstufen-Composit die Teilchen zu brennen, um adsorbiertes Wasser und andere Gase aus zutreiben.

Der Schaum, den man aus einem unter einem Gas hergestellten Vorstufen-Composit erzeugt, weist spezifische Bruchfestigkeitseigenschaften (crush strength) auf, die man durch Variieren des Mischverfahrens und des Gasdrucks einstellen kann. Mit der Zugabe von Stabilisatorteilchen, bei denen es sich um agglomerathaltige Mischungen handelt, kann man die vollen Vorteile des neuen Materials, einschließlich einer verbesserten Maschinenbearbeitbarkeit entwickeln.

Da man das Verfahren durch verändertes Mischen beim Schritt der Vorstufen-Compositherstellung und durch Änderung des Gasdrucks im gleichen Schritt variieren kann, muß man die Tatsache würdigen, daß die Zahlenverteilung der Poren innerhalb der Struktur variiert werden kann. Es ist möglich, die Porenzahl in einem solchen Maße zu verringern, daß etwa 10 % der Zellwände Poren enthalten, oder die Zahl in einem solchen Maße zu erhöhen, daß mehr als 50 % der Zellwände eine signifikante Anzahl an Poren enthalten.

Das geschäumte Produkt, das man in einem Verfahren erhält, bei dem Stabilisatorteilchen eingesetzt werden, die eine Verteilung der Teilchengrößen, einschließlich von Agglomeraten, beinhalten, ist auch durch das Vorliegen einer Verteilung von Teilchen überall in den Zellwänden gekennzeichnet, wobei die feinen Teilchen vorzugsweise an den Grenzflächen zwischen den Zellwänden und den mit Gas gefüllten Zellen innerhalb der Schaumstruktur angeordnet sind. Dies bedeutet einen Unterschied zu bekannten Schäumen, worin die Stabilisatorteilchen im allgemeinen eine einförmige Größe (mono-sized) haben, und im wesentlichen nur an den Grenzflächen angeordnet sind.

Ohne an irgendwelche Theorien gebunden sein zu wollen, glaubt man, daß Teilchen aus feuerfestem Material verwendet werden können, die in der Lage sind, eine Wechselwirkung mit dem Matrixmetall einzugehen und somit eine Verbindung an der Teilchen/Matrix-Grenzfläche zu bilden. Man ist ferner der Ansicht, daß, wenn die Teilchen in der geschmolzenen Matrix im dispergierten Zustand gehalten werden, diese Wechselwirkung über den Kontaktwinkel vorherrschen kann. Während eine Vielzahl von Teilchen aus feuerfesten Materialien diese Anforderung erfüllt, handelt es sich bei MgO um ein besonders effektives Material.

Eine besonders effektive Kombination ist eine Aluminiummatrix mit stabilisierenden Teilchen aus MgO, die man in einem offenen Gefäß mischt, so daß Luft die Gaskomponente des Composits bildet. Das Aluminium und das MgO wechselwirken unter Spinell-Bildung (MgAl&sub2;O&sub4;) an der Grenzfläche Dieser Spinell bildet auf den MgO-Teilchen einen Überzug und hält die Teilchen dadurch im dispergierten Zustand in der Matrix.

Das Matrixmetall kann aus einer großen Vielzahl von Metallen bestehen, die man im geschmolzenen Zustand durch Wirbelmischen mischen kann. Beispiele dieser umfassen Aluminium, Magnesium, Stahl, Zink, Blei, Nickel, Kupfer und Legierungen davon. Von besonderem Interesse sind standardmäßig verarbeitete, gegossene oder andere Aluminium- Legierungen, beispielsweise Legierungen die unter den Aluminium Association (AA) Bezeichnungen 6163, 2024, 7075, 7079 und A356 erhältlich sind. Man hat gefunden, daß eine besonders nützliche Matrixlegierung mindestens 5 % Si und bis zu 3 % Mg enthält. Beispielsweise ist die Gußlegierung A356 mit 3 % Mg zugegebenem Mg zusammen mit MgO besonders nützlich. Die Matrixlegierung kann Eigenschaften des Schaums hinsichtlich der Maschinenbearbeitbarkeit fördern.

Beim Mischen der Stabilisatorteilchen mit der Metallmatrix ist es bevorzugt, einen Rührer auf solch eine Weise zu verwenden, daß sich im geschmolzenen Metall ein Wirbel bildet. Man gibt die Stabilisatorteilchen zu dem geschmolzenen Metall unter Mischen, wobei man den Rührer vorzugsweise zuerst bei geringer Geschwindigkeit rotieren läßt, um die feuerfesten Teilchen mittels des Wirbels unter die flüssige Metalloberfläche zu tauchen. Sobald dies erreicht ist, läßt man den Rührer bei höherer Geschwindigkeit rotieren, um Hochscherbedingungen zu erzeugen, die die Stabilisatorteilchen in der flüssigen Metallmatrix innig dispergieren. In einer bevorzugten Ausführungsform läßt man den Rührer zuerst langsam rotieren (z.B. bei 500 bis 900 Upm) und dann schneller (z.B. bei 800 bis 1200 Upm). Die Gaskomponente des Vorstufen-Composits wird sowohl bei geringen als auch bei hohen Rührwerkgeschwindigkeiten in der Schmelze mitgerissen.

Die Gaskomponente des Vorstufen-Composits dringt in das offene Gefäß ein und wird in dem Wirbel aus geschmolzenem Metall, der durch den rotierenden Rührer erzeugt wird, mitgerissen. Die Scherkräfte auf dem Metall brechen das mitgerissene Gas zu kleinen Blasen auf, die durch die Keramikteilchen in dem Metallmatrix-Composit stabilisiert werden. Das Gas für diese Komponente kann man aus Luft, CO&sub2;, O&sub2;, N&sub2;, Inertgasen etc. auswählen. Der Bequemlichkeit halber ist Luft üblicherweise bevorzugt.

Gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich in dieser Erfindung mehrere wichtige Vorteile. Erstens ist das Vorstufen-Composit billig und leicht herzustellen, da die stabilisierenden Teilchen in Form einer Massenchemikalie zufälliger Größen vorliegen kann, und man ein paar Nichtbenetzungseigenschaften (Vorliegen von anhaftenden Gasblasen) akzeptieren kann, und da das gesamte Mischverfahren in einem offenen Gefäß (kein Vakuum erforderlich) stattfinden kann. Zweitens ist das aus dem Vorstufen-Composit erhaltene geschäumte Produkt besser maschinenbearbeitbar und leichter zu schneiden als herkömmliche teilchenstabilisierte Schaummetalle. Faßt man zusammen, so kann man Schaumvorstufen-Composits nutzen, um Metallschaummaterialien herzustellen, was eine einzigartige zelluläre Struktur ergibt, die Herstellungskosten des Materials verringert und sowohl die Maschinenbearbeitbarkeit als auch die Schneidbarkeit der geschäumten Produkte erleichtert. Die gewünschte Festigkeit des Schaumprodukts kann man durch Variieren der Porosität innerhalb der Zellwände erzielen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung der vorliegenden Erfindung werden nun mittels eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Wirbelmischen, die sich zur Herstellung von erfindungsgemäßen Vorstufen-Composits eignet.

Figur 2 ist ein Photomikrograph eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Vorstufen-Composit bei einer 50-fachen Vergrößerung. Das Vorstufen-Composit wurde unter Verwendung von MgO und Luft bei Atmosphärendruck hergestellt.

Figur 3 ist ein Photomikrograph eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Vorstufen-Composit mit einer 50-fachen Vergrößerung. Das Vorstufen-Composit wurde unter Verwendung von MgO und einem geringen Gasdruck hergestellt.

Figur 4 zeigt eine 4-fache Vergrößerung eines Querschnitts durch eine metallische Schaumstruktur, die man unter Verwendung des in Figur 2 erläuterten Schaumvorstufen- Composits hergestellt hatte.

Figur 5 zeigt eine 100-fache Vergrößerung eines weiteren Querschnitts durch eine erfindungsgemäße metallische Schaumstruktur, wobei man das in Figur 2 erläuterte Schaumvorstufen-Composit verwendet hatte.

Figur 6A ist eine 200-fache Vergrößerung einer Zellwand eines erfindungsgemäßen Schaumprodukts, bei dem man das in Figur 2 erläuterten Vorstufen-Composit verwendet hatte, und die eine für die Erfindung charakteristische Stabilisatorteilchenverteilung zeigt;

Figur 6B ist eine 200-fache Vergrößerung einer Zellwand eine Schaumprodukts, das man unter Verwendung eines Schaumvorstufen-Composits hergestellt hatte, das man durch Inkorporieren von Block-Aluminiumoxid in das Matrixmetall unter verringertem Druck erzeugt hatte, und das einen Schaum des Stands der Technik darstellt.

In Figur 7 ist der Cutterspitzenabrieb gegen die Schnittzahl für erfindungsgemäße Schäume im Vergleich mit Schäumen des Stands der Technik aufgetragen.

Beste Ausführunasweisen für die Erfindung

In der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung enthält ein Schmelztiegel 10 ein drehbaren Schaft 11, der mit einem Rührer 12 versehen ist, das zwei Scherstangen umfaßt. Beim Betrieb füllt man geschmolzenes Metall bis zum Nievau 13 und läßt den Rührer bei einer Geschwindigkeit von etwa 500 bis 900 Upm rotieren, um einen Wirbel 14 zu bilden. Man gibt die erfindungsgemäßen Stabilisatorteilchen zu dem geschmolzen Metall, während man bei einer Rührgeschwindigkeit von 500 bis 900 Upm mischt, und der resultierende Wirbel taucht die Stabilisatorteilchen unter die Oberfläche des geschmolzen Metalls. Diese langsamere Mischgeschwindigkeit behält man bei, bis alle Stabilisatorteilchen sich unter der Metalloberfläche befinden. Dann erhöht man die Rotiergeschwindigkeit des Rührers auf einen Bereich von 800 bis 1200 Upm, um Hochscherbedingungen zu erzeugen, wodurch die Stabilisatorteilchen in dem flüssigen Metall innig dispergiert werden, und das mitgerissene Gas unter Bildung von feinen Gasblasen geschert und stabilisiert wird.

Das so gebildete Material umfaßt ein Schaumvorstufen- Composit, das man zur Herstellung von leichtgewichtigen geschäumten Metallprodukten aufschäumen kann. Dieses Schaumvorstufen-Composit enthält die keramischen Teilchen mit stark variierenden Größen in einer ungleichmäßig in der Metallmatrix dispergierten Form. Einige dieser Keramikteilchen haben anhaftende Gasblasen und es gibt ebenfalls eine Anzahl von stabilisierten feinen Gasblasen oder Poren in der Matrix. Da die ursprünglichen Keramikteilchen nicht der Größe nach geordnet sind, ergibt sich ebenfalls die Tendenz, daß Teilchenklumpen und -aggregate im Vorstufen-Composit vorkommen. Diese scheinen jedoch nicht das sich anschließende Schäumungsverfahren zu beeinträchtigen.

Man glaubt, daß die Kombination von Aggregaten zusammen mit feineren Teilchen, die in den ursprünglichen Teilchen vorliegen oder beim Mischen des Vorstufen-Composits erzeugt werden, zu der einzigartigen Struktur und den einzigartigen Eigenschaften des nach diesem Verfahren hergestellten Materials führen. Die vorliegenden feinen Teilchen unterstützen die Stabilisierung des Schaums, indem sie an die Oberflächen der Zellwände wandern. Daher werden der Anteil der Agglomerate oder Klumpen in den zu dem Vorstufen-Composit gegebenen Teilchen, die Art des Mischens beim Formen des Vorstufen-Composits, und der Gasdruck, den man im Mischgefäß für das Vorstufen-Composit einsetzt, jeweils die feine Porosität im endgültigen Schaumprodukt und daher die Eigenschaften beeinflussen.

Die folgenden nicht-begrenzenden Beispiele erläutern gewisse bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Beispiel 1

Mit dem Tiegel der Figur 1 schmolz man eine A356 Aluminium- Legierung in Form von Autoschrott auf und gab 3 Gew.-% freies Magnesium dazu. Dann gab man, während der Rührer bei einer Geschwindigkeit im Bereich von 500 bis 900 Upm rotierte, 11,6 Vol.-% massengefertiges MgO (bulk MgO) zu dem geschmolzenen Metall. Das MgO hatte Teilchen mit einer mittleren Größe von 17 µm, gemessen mit einem Sedigraph, ohne heftiges Dispergieren, erzeugte jedoch eine breite Größenverteilung im Bereich von weniger als 1 µm bis 60 µm, nachdem man 10 min in Gegenwart eines Dispergiermittels mittels Ultraschall rührte. Während des Mischens hielt man die geschmolzene Legierung bei einer Temperatur von 725ºC und erhitzte das MgO auf diese Temperatur vor, bevor man es zu der Schmelze gab.

Man setzte das Mischen bei 500 bis 900 Upm für etwa 10 min fort, worauf die Geschwindigkeit auf einen Bereich von 800 bis 1200 Upm erhöht wurde und fuhr weitere 20 min fort. Das erhaltene Produkt war ein Vorstufen-Composit zur Herstellung eines geschäumten Metallprodukts.

Man ließ das gebildete Vorstufen-Composit fest werden, fertigte einen Querschnitt des verfestigten Gusses an und untersuchte diesen mikroskopisch. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Figur 2 gezeigt, wobei man sehen wird, daß eine beträchtliche Porosität vorliegt und daß es einen weiten Bereich an MgO-Teilchengrößen gibt. Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines Vorstufen-Composits, das man aus dem gleichen massengefertigten MgO, wie im vorliegenden Beispiel hergestellt hatte, aber wo das Mischen zur Vorstufe unter verringertem Druck (ungefähr 0,5 Torr) durchgeführt worden war. In dem Vorstufen-Composit liegen beträchtlich weniger Gasblasen vor als in dem bei einer Atmosphäre hergestellten Vorstufen-Composit, aber es liegt ein weiter Bereich an MgO- Teilchengrößen vor.

Man stellte mit einer bekannten Technik einen Metallschaum aus einem wie zuvor hergestellten Vorstufen-Composit her, und die Querschnitte sind in den Figuren 4 und 5 gezeigt. Die Mikroporosität in den großen Zellwänden wird an Figur 5 besonders offensichtlich.

Figur 6A ist ein Mikrograph mit 200-facher Vergrößerung einer Zellwand, wo wenige Poren sichtbar sind. Die Stabilisatorteilchen sind sichtbar über die Wand verteilt, wobei jedoch die feinen Teilchen vorzugsweise an den Grenzflächen angeordnet sind. Figur 6B ist ein Mikrograph einer Schaumwand, wo die Stabilisatorteilchen Block- Aluminiumoxid sind, das man unter verringertem Druck zum Vorstufen-Composit zugemischt hatte. Die Teilchen sind in der Struktur nahezu vollständig an den Grenzflächen angeordnet.

Beispiel 2

Das nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1 hergestellte Material (als Material A bezeichnet) wurde Druckfestigkeitstests unterzogen. Der Schaum (Material B) wurde ebenfalls aus den gleichen Ausgangsmaterialien wie Material A hergestellt, wobei man jedoch die Vorstufe mischte, um weniger Gasblasen in dem Vorstufen-Composit zu erzeugen. In dem Material A lagen Poren in ungefähr 50 % der Zellwände vor, wogegen im Material B die Poren in ungefähr 10 bis 20 % der Wände vorlagen. Schließlich stellte man Schäume (Materialien C und D) jeweils unter Verwendung von 10 % Block-Aluminiumoxid (Oberflächenkennzahl 0,5 m²/g) und einer AA6061 Matrix- Legierung, und von 10 % SiC mit ungefähr der gleichen spezifischen Oberfläche und einer A356 Matrix-Legierung her, wobei man jedoch beide unter verringertem Gasdruck (ungefähr 3 Torr) mischte. Die Materialien C und D sind daher typisch für Schaummaterialien des Stands der Technik. Man verglich die Druckfestigkeit bei 20 % Reduktion bei einer Schaumdichte von 0,23 g/cm². Für das Material A ermittelte man eine Druckfestigkeit von 0,37 ± 0,22 MPa, für Material B ermittelte man eine Druckfestigkeit von 0,75 MPa und für die Materialien C und D ermittelte man Druckfestigkeiten von jeweils 0,93 MPa. Dies zeigt die Möglichkeit an, in der vorliegenden Erfindung die Druckfestigkeit durch die Kombination von einem Mischverfahren für das Vorstufen- Composit und die Verwendung von Teilchen mit großer Oberfläche oder von Teilchen, die aus Agglomeraten bestehen, einzustellen.

Beispiel 3

Das Material B des vorangegangenen Beispiels (MgO- Stabilisatorteilchen, mit Luft gemischt und geschäumt, wobei man ein Produkt mit 10 bis 20 % Poren in den Schaumwänden erhielt) wurde im Hinblick auf seine Maschinenbearbeitbarkeit getestet und mit Material C des vorangegangenen Beispiels (Block-Aluminiumoxid-Stabilisatorteilchen, Vorstufe unter verringertem Gasdruck hergestellt) und mit einem Schaumprodukt (Material E) verglichen, das man wie bei Material C hergestellt hatte, abgesehen davon, daß man das Vorstufenmischen unter einer Atmosphäre Luft ausgeführt hatte, um einen Porositätsgrad in die Schaumwände, ähnlich wie bei Material B einzuführen. Man testete die Maschinenbearbeitbarkeit, indem man Platten (slabs) aus Schaummaterial durch eine Einblattfräsmaschine führte und den Betrag des Blattabriebs gegen die Anzahl der von der Vorrichtung durchgeführten Schnitte auftrug. Die Resultate dieser Tests sind in Figur 7 aufgetragen. Die Steigungen der Abriebskurven, nachdem die anfänglichen Bearbeitungsdurchgänge (offene Symbole) abgeschlossen waren, stehen für das kennzeichnende Abriebverhalten der Probe (gefüllte Symbole in Figur 7). Bei diesen Tests zeigte der Schaum des Stands der Technik (Dreiecke, Material C) eine Steigung von 4,5 µm/Schnitt, der Schaum, den man aus dem gleichen Block-Aluminiumoxid unter Mischen bei einer Atmosphäre Luft (Quadrate, Material E) hergestellt hatte, zeigte eine Steigung von 3,7 µm/Schnitt, und der Schaum, den man nach dem Verfahren des Beispiels 1 mit begrenzter Porosität in den Wänden (Kreise, Material B) hergestellt hatte, zeigte eine Steigung von 0,95 µm/Schnitt. Die geringste Steigung steht für die leichteste Maschinenbearbeitbarkeit und zeigt, daß hinsichtlich der Maschinenbearbeitbarkeit durch die Verwendung von Agglomeraten in der vorliegenden Erfindung ein Vorteil erzielt wird.


Anspruch[de]

1. Ein stabilisiertes Metallschaumprodukt, das eine Metallmatrix umfaßt, die eine darin dispergierte Vielzahl von geschlossenen Zellen, die im wesentlichen mit Gas gefüllt sind, aufweist, wobei besagte Zellen durch Zellwände getrennt sind, die von dem besagten Metallmatrix-Composit gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung von festen Stabilisatorteilchen, die eine Verteilung der Teilchengrößen enthält, und die man aus Mischungen von zur Metallmatrix gegebenen Stabilisatorteilchen mit einer Oberflächenkennzahl, gemessen nach der BET-Stickstoff-Adsorption, von mindestens 2,0 m²/g, erhält, überall in den Zellwänden verteilt ist, wobei die feineren Teilchen der Mischung bevorzugt an den Grenzflächen zwischen den geschlossenen Zellen und den Zellwänden angeordnet sind.

2. Metallschaumprodukt gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner Poren innerhalb zumindest einiger der Zellwände bereitgestellt sind.

3. Metallschaumprodukt gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 10 % der Zellwände Poren enthalten.

4. Metallschaumprodukt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix Aluminium oder eine Legierung davon ist.

5. Metallschaumprodukt gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium-Legierung mindestens 5 % Si und bis zu 3 % Mg enthält.

6. Metallschaumprodukt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorteilchen aus einem Material mit großer Oberfläche gebildet werden.

7. Metallschaumprodukt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorteilchen aus MgO, aktiviertem Aluminiumoxid, calciniertem Aluminiumoxid, Feldspat oder calciniertem Bauxit gebildet werden.

8. Metallschaumprodukt gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorteilchen eine Mischung aus Teilchenagglomeraten und feinen Teilchen, gebildet durch Aufbrechen der Agglomerate, sind.

9. Metallschaumprodukt gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisatorteilchen aus MgO gebildet sind.

10. Metallschaumprodukt gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Grenzflächen zwischen den geschlossenen Zellen und den Zellwänden konzentrierten feinen Teilchen durch Aufbrechen der Agglomerate gebildet werden.

11. Verfahren zur Herstellung eines geschäumten Metallprodukts, worin gasförmige Blasen innerhalb einer Masse aus geschmolzenem Metall während des Schäumens zurückgehalten werden, die folgenden Schritte umfassend: das Erwärmen eines Matrixmetalls über die Liquidustemperatur des Metalls, um eine flüssige Metallmatrix zu bilden, das Zugeben von Stabilisatorteilchen zu dem besagten flüssigen Matrixmetall, wobei die besagten Stabilisatorteilchen aus einer Mischung aus Teilchen mit einer Oberflächenkennzahl, gemessen nach Stickstoff BET- Verfahren, von mindestens 2,0 m²/g besteht, das Mischen des flüssigen Matrixmetalls und der Stabilisatorteilchen unter einem Abdeckgas bis die Stabilisatorteilchen in dem flüssigen Matrixmetall dispergiert sind und kleine Gasblasen mitgerissen und von den Teilchen stabilisiert werden, um dadurch ein Vorstufen-Composit für einen teilchenstabilisierten Schaum zu bilden, dann das Einleiten eines Gases in das besagte Vorstufen-Composit in geschmolzenener Form, um einen teilchenstabilisierten Metallschaum zu bilden und das Entfernen besagten Schaums.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Abdeckgases so kontrolliert wird, daß die Gasblasen in das Vorstufen-Composit dispergiert werden, und daß der Schaum Poren innerhalb der Wände des Schaums enthält, und die Zahl der Poren durch den Druck des Abdeckgases gesteuert wird.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Abdeckgases weniger als 10 Torr beträgt.

14. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der Teilchen eine Verteilung der Teilchengrößen mit feineren Teilchen, die vorzugsweise an den Grenzflächen zwischen den geschlossenen Zellen und den Zellwänden angeordnet sind, hat.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der Teilchen eine wesentliche Anzahl von Teilchen enthält, die Teilchenagglomerate sind.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung der Stabilisatorteilchen eine Oberflächenkennzahl von mindestens 10 m²/g hat.

17. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Schaums Poren enthalten, und die Anzahl der Poren durch die Mischintensität während des Mischens des Vorstufen-Composit kontrolliert wird.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorstufen-Composit verfestigt und wiederaufgeschmolzen wird vor dem Einleiten des schaumbildenden Gases.







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